Dlaczego śledzenie ścieżki jest lepsze niż śledzenie promieni w przypadku efektów wizualnych w grach

Ray tracing w czasie rzeczywistym w grach zyskuje na popularności, odkąd Nvidia wypuściła na rynek karty z serii RTX 20 w 2018 roku. To, co początkowo było niczym więcej niż chwytem, ​​stopniowo przekształciło się w funkcję, której gracze konsekwentnie szukają w swoich ulubionych grach. Niedawno nasiliła się debata na temat śledzenia ścieżki i śledzenia promieni, przy czym ta pierwsza zapewnia bardziej zaawansowaną i realistyczną grafikę niż druga. Po kilku kolejnych latach i generacjach procesorów graficznych śledzenie ścieżki może w końcu stać się głównym nurtem.

Rasteryzacja, śledzenie promieni i śledzenie ścieżki

Przeanalizujmy śledzenie ścieżki i śledzenie promieni, aby zobaczyć, dlaczego są one potrzebne w grafice do gier.

Tradycyjnie programiści używali techniki zwanej rasteryzacją do renderowania grafiki w grach. Rasteryzacja to tłumaczenie matematycznych kształtów wektorowych na piksele, dzięki czemu można je oglądać na monitorach komputerowych i innych wyświetlaczach opartych na pikselach (w przeciwieństwie do starszych wyświetlaczy CRT).

Trzeba przyznać, że rasteryzacja okazała się dość skuteczna w przybliżaniu rzeczywistego zachowania światła poprzez wykorzystanie „wstępnie renderowanego” oświetlenia ze statycznymi źródłami światła. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na fotorealistyczną grafikę w grach – wraz z technologią, która je napędza – śledzenie promieni w czasie rzeczywistym stało się wreszcie dostępne dla graczy.

W przeciwieństwie do rasteryzacji, śledzenie promieni próbuje symulować zachowanie światła w świecie rzeczywistym w każdej klatce gry lub aplikacji. Ponieważ światło może odbijać się, załamywać lub pochłaniać po interakcji z wieloma obiektami w rzeczywistości, to samo zachowanie promieni świetlnych jest obliczane dla każdego pojedynczego piksela ramki. Oznacza to obliczenie zachowania milionów symulowanych promieni tylko dla jednej klatki. Właśnie dlatego śledzenie promieni jest tak wymagające obliczeniowo.

Samo śledzenie promieni nie jest niczym nowym. Opracowana w 1969 roku metoda śledzenia promieni jest wykorzystywana w studiach filmowych w różnym stopniu od lat 70. XX wieku. Hollywood ma jednak luksus „wstępnego renderowania” każdej klatki filmu za pomocą „farm renderowania”, których renderowanie pojedynczej sceny wykorzystującej technologię ray tracingu może czasem zająć tygodnie.

Śledzenie promieni w czasie rzeczywistym w grach jest inne, ponieważ wymaga przeprowadzenia skomplikowanych obliczeń w dynamicznie zmieniającym się środowisku dla każdej pojedynczej klatki. Jest to również powód, dla którego większość gier korzystających ze śledzenia promieni – nawet przy zastosowaniu akceleracji sprzętowej nowoczesnych procesorów graficznych – wykorzystuje tylko jeden lub dwa elementy śledzenia promieni w połączeniu z rasteryzacja, taka jak odbicia lub cienie wykorzystujące śledzenie promieni.

Teraz dochodzimy do śledzenia ścieżki. W swej istocie śledzenie ścieżki jest po prostu zmodyfikowaną wersją śledzenia promieni. Zamiast śledzić ścieżkę każdego pojedynczego promienia świetlnego – głównego lub odbitego (wtórnego) – śledzenie ścieżki oblicza jedynie najbardziej prawdopodobną ścieżkę, jaką pokona światło podczas fotografowania przez scenę.

Opracowane w latach 80. śledzenie ścieżki wymaga bardziej złożonej matematyki obejmującej wiele promieni na każdy pojedynczy piksel, ale ostatecznie oznacza mniejsze obciążenie sprzętu renderującego, tj. procesora graficznego. Path tracing to przybliżenie śledzenia promieni przy użyciu symulacji Monte Carlo – modeli prawdopodobieństwa, które pomagają przewidzieć najbardziej prawdopodobne wyniki w sytuacjach, w których dokładne przewidywanie jest niemożliwe.

Istnieją inne odmiany śledzenia promieni, takie jak mapowanie fotonów (opracowane w 2001 r.), dwuetapowa technika globalnego oświetlenia. W pierwszym etapie wykorzystuje się promienie świetlne w całej scenie, aby utworzyć mapę fotonów zawierającą dane dotyczące kolorów i oświetlenia, a w drugim etapie renderuje się scenę w czasie rzeczywistym, korzystając z wstępnie przetworzonej mapy fotonów. Mapowanie fotonów może technicznie jeszcze bardziej zmniejszyć obciążenie związane z renderowaniem, ale jest dość złożone i podatne na pewne artefakty, gdy używany jest słabszy sprzęt.

Śledzenie ścieżki wygląda lepiej niż śledzenie promieni

Jeśli śledzenie ścieżki po prostu przybliża efekt śledzenia promieni, dlaczego jest lepsze? Czy wynik nie powinien być gorszy od śledzenia promieni?

Nie. Debata dotycząca śledzenia ścieżki i śledzenia promieni jest nieco bardziej zniuansowana. Wykazano, że śledzenie ścieżki – czasami nazywane pełnym śledzeniem promieni – zapewnia bardziej realistyczne oświetlenie w grach. Najnowsze gry, takie jak Cyberpunk 2077 i Alan Wake 2, pokazały, jak może wyglądać pełnoprawny ray tracing (z pomocą path tracingu).

Śledzenie ścieżki zostało nawet zaimplementowane w starszych tytułach, takich jak Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim i Half-Life, przekształcając je z przestarzałej grafiki w dema technologiczne.

Śledzenie ścieżki może zapewnić bardziej realistyczne oświetlenie ze względu na większą próbkę danych, do której ma dostęp. W przeciwieństwie do śledzenia promieni, śledzenie ścieżki wystrzeliwuje wiele promieni świetlnych dla każdego piksela w scenie, pobierając garść z nich, aby uzyskać końcowy wynik. Umożliwia to algorytmowi – wspomaganemu przez odszumianie, dzięki DLSS firmy Nvidia – tworzenie bardziej wyraźnych cieni, odbić i globalnego oświetlenia.

Śledzenie ścieżki jest technicznie łatwiejsze na procesorach graficznych

Pomimo bardziej złożonych obliczeń, odszumiania i sztuczek AI związanych ze śledzeniem ścieżki, w przypadku procesorów graficznych jest to łatwiejsze – przynajmniej w teorii.

Gry opracowane od podstaw przy użyciu śledzenia ścieżki najbardziej skorzystałyby na tym mniejszym obciążeniu. Nie zdarzało się to zbyt często. Śledzenie ścieżki zostało wprowadzone w różnych grach jako aktualizacja, wiele lat po pierwotnym wydaniu.

Nawet Alan Wake 2, który według Nvidii jest „grą w pełni wykorzystującą ray tracing”, nie wykorzystuje powszechnie śledzenia ścieżki. To coś innego, bo i bez tego wygląda zapierająco dech w piersiach, będąc jednocześnie jedną z najlepszych gier na PS5.

W obecnej sytuacji takie tytuły są absurdalnie trudne do uruchomienia przy grywalnej liczbie klatek na sekundę, nawet na najnowocześniejszych procesorach graficznych. Seria RTX 40 firmy Nvidia musi korzystać z szeregu funkcji sztucznej inteligencji, aby renderować te gry w niższych rozdzielczościach i skalować je w celu uzyskania akceptowalnych wyników.

Ale za kilka lat, gdy sztuczna inteligencja w grach zrewolucjonizuje branżę gier, implementacje śledzenia ścieżki staną się znacznie łatwiejsze w przypadku popularnych procesorów graficznych .

Te procesory graficzne dorównują lub przewyższają PS5.

Śledzenie ścieżki nie jest nową techniką

Od 2000 roku śledzenie ścieżki jest wykorzystywane przez studia filmowe, takie jak Disney i Sony, do renderowania filmów animowanych z pełnym śledzeniem ścieżki. Teoria ta sprawdzała się od lat 80. XX wieku, a obecnie w popularnych, aczkolwiek zbyt trudnych grach pojawiło się śledzenie ścieżki w czasie rzeczywistym, dzięki czemu ludzie mogą zobaczyć, jak dzieje się to na ich oczach.

Śledzenie ścieżki nie jest radykalnie nową techniką, której zastosowanie w większej liczbie gier i tańszym sprzęcie zajmie dużo czasu. Ponieważ firmy takie jak Nvidia, AMD i Intel konkurują ze sobą w ulepszaniu swoich procesorów graficznych i inwestują w zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji, śledzenie ścieżki stanie się coraz bardziej powszechne w grach i innych mediach. A to nastąpi raczej wcześniej niż później.

Dowiedz się, czy procesor graficzny Intel Arc nadaje się do gier.

Śledzenie promieni, śledzenie ścieżki i rasteryzacja będą działać razem

Choć śledzenie ścieżki jest zaawansowane i imponujące, wciąż nie jest w stanie zrobić wszystkiego idealnie. Jego największa zaleta polegająca na dostępie do większej ilości danych jest jednocześnie jego największą wadą.

Śledzenie promieni jest nadal lepsze w przypadkach, gdy dostępnych danych jest niewiele (takich jak ciemne lochy) lub w przypadku powierzchni odbijających i załamujących światło (takich jak zbiorniki wodne lub szkło). Właśnie dlatego wyścigi promieni nie znikną nagle ze sceny wraz z pojawieniem się śledzenia ścieżki w grach.

Programiści, jak zawsze, prawdopodobnie użyją kombinacji technik renderowania, aby stworzyć najbardziej realistyczną scenę w każdej sytuacji. Dlatego zarówno ray tracing, jak i path tracing wraz z rasteryzacją będą wspomagać gry w najbliższej przyszłości.

Co kilka lat w wiadomościach pojawia się nowa technologia, która obiecuje uczynić gry bardziej fotorealistycznymi niż kiedykolwiek. Najpierw były shadery, potem teselacja, następnie ray tracing, a teraz path tracing. Jednak technologie te mają również ogromny wpływ na wydajność gier. Jeśli uważasz, że Twój obecny komputer nie jest w stanie wykorzystać najnowszych technik w grach, być może będziesz musiał kupować nowy procesor graficzny . Mam tylko nadzieję, że gdy będziemy czekać na przyszłe gry oparte na śledzeniu ścieżki, procesory graficzne przyszłości staną się również dostępne dla przeciętnego gracza.

Zdjęcie: Zbliżenie nowoczesnej karty graficznej z obwodem autorstwa DepositPhotos